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Type: TESE
Degree Level: Doutorado
Title: Specialty optical fibers for sensing = Fibras ópticas especiais para sensoriamento
Title Alternative: Fibras ópticas especiais para sensoriamento
Author: Osório, Jonas Henrique, 1989-
Advisor: Cordeiro, Cristiano Monteiro de Barros, 1973-
Abstract: Resumo: Nesta tese, fibras ópticas especiais são estudadas para fins de sensoriamento. Primei-ramente, propomos a estrutura denominada fibra capilar com núcleo embutido (embedded-core capillary fibers) para realização de sensoriamento de pressão. Estudos numéricos e analíticos foram realizados e mostraram que altas sensibilidades a variações de pressão poderiam ser al-cançadas com esta estrutura simplificada, que consiste de um capilar dotado de um núcleo, dopado com germânio, em sua parede. Experimentos permitiram medir uma sensibilidade de (1.04 ± 0.01) nm/bar, que é um valor alto quando comparado a outros sensores de pressão ba-seados em fibras microestruturadas. Ademais, estudamos fibras do tipo surface-core, que são fibras cujos núcleos são colocados na superfície externa da fibra. Nesta abordagem, redes de Bragg foram utilizadas para obter sensores de índice de refração ¿ fazendo-se uso da interação entre o campo evanescente do modo guiado no núcleo e o ambiente externo à fibra ¿ e de cur-vatura ¿ ao se explorar o fato de que, nestas fibras, o núcleo se encontra fora do centro geomé-trico da mesma. As sensibilidades a variações de índice de refração e curvatura medidas, 40 nm/RIU em torno de 1.41 e 202 pm/m-1 comparam-se bem a outros sensores baseados em redes de Bragg. Outrossim, fibras capilares poliméricas foram investigadas como sensores de temperatura e pressão. Para a descrição do sensor de temperatura, usou-se um modelo analítico para simular o espectro de transmissão dos capilares e a sua dependência com as variações de temperatura. No que tange à aplicação de sensoriamento de pressão, variações nas espessuras dos capilares devido à ação da pressão foram calculadas e relacionadas à sensibilidade da me-dida de monitoramento. Nestas duas aplicações, realizações experimentais também são repor-tadas. Finalmente, oportunidades adicionais de sensoriamento ao se utilizar fibras ópticas es-peciais são apresentadas, a saber, um sensor de pressão para dois ambientes baseados em fibras de cristal fotônico, um sensor de três parâmetros baseado em redes de Bragg, fibras afinadas e interferência multimodal, um sensor de nível de líquido baseado em redes de Bragg e interfe-rência multimodal e um sensor de temperatura baseado em fibras embedded-core preenchidas com índio. Os resultados aqui reportados demonstram o potencial das fibras ópticas em forne-cerem plataformas de sensoriamento para alcançar medidas de diferentes tipos de parâmetros com alta sensibilidade e resolução adequada

Abstract: In this thesis, specialty optical fibers for sensing applications are investigating. Firstly, we propose the embedded-core capillary fiber structure for acting as a pressure sensor. Analyt-ical and numerical studies were performed and showed that high pressure sensitivity could be achieved with this simplified fiber structure, which consists of a capillary structure with a germanium-doped core placed within the capillary wall. Experiments allowed measuring a sensitivity of (1.04 ± 0.01) nm/bar, which is high when compared to other microstructured optical fiber-based pressure sensors. Moreover, we studied the so-called surface-core optical fibers, which are fibers whose cores are placed at the external boundary of the fiber. In this approach, Bragg gratings were used to obtain refractive index ¿ making use of the interaction between the guided mode evanescent field and the external medium ¿ and directional curva-ture sensors ¿ by exploring the off-center core position. The measured refractive index and the curvature sensitivities, respectively 40 nm/RIU around 1.41 and 202 pm/m-1, compares well to other fiber Bragg grating-based sensors. Additionally, antiresonant polymer capillary fibers were investigated as temperature and pressure sensors. For the temperature sensing descrip-tion, one used an analytical model to simulate the transmission spectra of such fibers and the dependence on temperature variations. Regarding the pressure sensing application, pressure-induced capillary wall thickness variations were analytically accounted and related to the sys-tem pressure sensitivity. In both these applications, experimental data were presented. Finally, additional opportunities using specialty optical fibers were presented, namely, a photonic-crystal fiber-based dual-environment pressure sensor, a three parameters sensor using Bragg gratings, tapered fibers and multimode interference, a liquid-level sensor based on Bragg grat-ings and multimode interference, and a temperature sensor based in an embedded-core fiber filled with indium. The results reported herein demonstrates the potential of optical fibers for providing sensing platforms to attain measurements of different sort of parameters with highly sensitivity and improved resolutions
Subject: Fibras óticas
Fibras óticas microestruturadas
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2017
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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